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Doctoral Thesis
2022
The influence of phosphate-availability and phytic acid on the profiles of fatty acids, (poly)phenols, carotenoids, and tocochromanols in maize (Zea mays L.) grains – from field experiments to human in vitro digestion studies
The influence of phosphate-availability and phytic acid on the profiles of fatty acids, (poly)phenols, carotenoids, and tocochromanols in maize (Zea mays L.) grains – from field experiments to human in vitro digestion studies
Abstract (English)
Phosphorus (P) is an essential element for living organisms and involved in phosphorylation reactions, including the biosynthesis of several organic micronutrients. Since P is taken up by plants from soil as phosphates, phosphate fertilizers are applied on fields to support the P-supply for crops. Today, shrinking global P-resources demand a reduction in the application of P-containing fertilizers, but knowledge about possible effects of a reduced phosphate-availability in soils on the quality of maize grains is lacking. Thus, it was hypothesized that a reduced phosphate-availability in soil influences the concentrations of dietary organic compounds (phenolics, fatty acids, carotenoids, and tocochromanols) in grains of maize during cultivation. Moreover, concentration differences in the P-storage form phytic acid in maize grains may impact the oxidative stability of these organic compounds during processing and digestion. Fertilizer experiments with maize hybrids were conducted at study sites with low to high phosphate concentrations in soil (1.6 to 20.6 mg CAL-P/100 g soil) in Germany. GC-MS or HPLC-(MS) analyses of the ground maize grains revealed the identity of fatty acids, insoluble (mostly diferulic and triferulic acids) and soluble (poly)phenols, carotenoids, and tocochromanols. The concentrations of these (poly)phenols, carotenoids, and tocochromanols as well as the fatty acid composition in the grains of the maize plants grown with or without phosphate fertilizer were not significantly (p < 0.05) different. Interaction effects between phosphate application and the locations on the fatty acid composition as well as on carotenoids and tocochromanols were considered as insignificant, concluding that a reduction in phosphate fertilization could be implemented on most fields in Germany when only considering these dietary compounds. Lastly, the influence of phytic acid on oxidation processes in maize during processing of porridge and in vitro digestion was examined. Porridges were prepared from maize flour containing either high phytic acid concentration or low phytic acid concentration supplemented with or without phytate. The porridges were digested using a human in vitro digestion model, resulting in a decrease in tocochromanols, carotenoids and unsaturated fatty acids. Oxidation products (alpha-tocopherylquinone, malondialdehyde) were formed in all samples, implying that phytic acid addition did not show the expected protective effect. The addition of phytate evoked a significant reduction in the micellarization efficiency of most carotenoids. Thus, the knowledge about phytic acid as antinutrient was extended.
Abstract (German)
Phosphor (P) ist ein Element, das essenziell für lebende Organismen und an Phosphorylierungsreaktionen beteiligt ist. Letztere finden beispielsweise bei der Biosynthese einiger organischer Mikronährstoffe statt. Da P von Pflanzen als Phosphate aus dem Boden aufgenommen werden, setzen Landwirte Phosphatdünger ein, um eine ausreichende P-Versorgung der Nutzpflanzen zu gewährleisten. Sinkende globale Phosphorressourcen erfordern allerdings eine Reduktion der Anwendung von Phosphatdüngern, jedoch ist bisher nicht ausreichend bekannt, welche Auswirkung eine verringerte Phosphatverfügbarkeit auf die Qualität von Maiskörnern hat. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine reduzierte Phosphatverfügbarkeit im Boden einen Einfluss auf die Biosynthese und Konzentrationen von ernährungsrelevanten Inhaltsstoffen (Phenole, Fettsäuren, Carotinoide, und Tocochromanole) in Maiskörnern während des Wachstums hat. Des Weiteren könnten unterschiedliche Konzentrationen in der P-Speicherform Phytinsäure einen Einfluss auf die oxidative Stabilität dieser organischen Substanzen während der Herstellung und des Verdaus von maisbasierten Lebensmitteln haben.
Düngemittelexperimente mit Hybridmaissorten wurde an Standorten mit niedrigen bis hohen P-Gehalten im Boden (1.6 bis 20.6 mg CAL-P/100 g Boden) in Deutschland durchgeführt. Mittels GC-MS oder HPLC-(MS) wurden Fettsäuren, unlösliche (Diferula- und Triferulasäuren) und lösliche (Poly)phenole, Carotinoide und Tocochromanole in den vermahlenen Maiskörnern identifiziert. Maispflanzen angebaut mit Phosphatdünger zeigten keine statistisch (p < 0.05) signifikanten Unterschiede der (Poly)phenol-, Carotinoid-, und Tocochromanolkonzentrationen sowie der Fettsäure-zusammensetzung in den Maiskörnern im Vergleich zu Kontrollproben. Interaktionseffekte zwischen der Phosphatdüngung und den Standorten auf die Profile von Fettsäuren, Carotinoiden und Tocochromanolen waren nicht signifikant. Daraus resultiert, dass eine Reduktion von Phosphatdüngern an den meisten Standorten in Deutschland möglich wäre, ohne die Gehalte dieser organischen Mikronährstoffe in Mais negativ zu beeinflussen.
Zuletzt wurde der mögliche Einfluss von Phytinsäure auf Oxidationsprozesse in Mais während der Verarbeitung und des in vitro Verdaus von Maisbrei untersucht. Maisbreie wurde aus Maismehl mit hohen Phytinsäuregehalten oder niedrigen Phytin-säuregehalten mit oder ohne zugesetztem Phytat hergestellt. Die Maisbreie wurden mittels eines humanen in vitro Verdauungsmodells verdaut. Kochen und der darauffolgende Verdau verringerten Tocochromanole, Carotinoide und ungesättigte Fettsäuren. Oxidationsprodukte (alpha-Tocopherylchinon, Malondialdehyd) wurden in den Proben gebildet, welche den fehlenden Schutzmechanismus durch die zugesetzte Phytinsäure untermauern. Durch die Zugabe von Phytat wurde eine signifikant niedrigere Mizellierungseffizienz der meisten Carotinoiden beobachtet. Dadurch wurden weitere Erkenntnisse über Phytinsäure als Antinährstoff gewonnen.
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Faculty of Natural Sciences
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Institute of Nutritional Sciences
Examination date
2022-10-10
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English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
570 Biology
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Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Lux2022,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6775},
author = {Lux, Peter Erwin},
title = {The influence of phosphate-availability and phytic acid on the profiles of fatty acids, (poly)phenols, carotenoids, and tocochromanols in maize (Zea mays L.) grains – from field experiments to human in vitro digestion studies},
year = {2022},
school = {Universität Hohenheim},
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